(57)【要約】【課題】  プロセス条件やチャンバー構造を大きく変更することなく異常放電を容易に防止することができるガスクラスターイオンビーム装置を提供する。【解決手段】  ガスクラスターイオンビーム装置は、ノズル１からガスを導入させてガスクラスターを生成させるクラスター生成室２と、隔壁５によってクラスター生成室２から分離され、ガスクラスターが隔壁５に設けられたスキマー４を通して供給されるプロセス室９とを有している。プロセス室９には、プロセス室９内に導入されたガスクラスターをイオン化するイオン化器６と、イオン化器６でイオン化されたガスクラスターを加速させてガスクラスターを被処理物である基板１０に照射させる電極群１２とが備えられている。隔壁５およびスキマー４のプロセス室９側の面とイオン化器６の外側面との少なくとも一方には絶縁層８が構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルからガスを導入させてガスクラスターを生成させるクラスター生成室と、隔壁によって前記クラスター生成室から分離され、前記ガスクラスターが前記隔壁に設けられたスキマーを通して供給されるプロセス室と、を有し、
前記プロセス室には、前記プロセス室内に導入された前記ガスクラスターをイオン化するイオン化器と、該イオン化器でイオン化された前記ガスクラスターを加速させて被処理物に照射させる電極群と、が備えられているガスクラスターイオンビーム装置において、
前記隔壁および前記スキマーの前記プロセス室側の面と前記イオン化器の外側面との少なくとも一方の、少なくとも表面上に絶縁層が構成されていることを特徴とするガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項２】
前記絶縁層はプラズマＣＶＤ法によって構成されている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項３】
前記絶縁層は、前記隔壁の前記プロセス室側の面および／または前記イオン化器の外側面に接合されている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項４】
前記絶縁層は酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化アルミニウム、あるいは窒化珪素を含む、請求項２または３に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項５】
前記隔壁の前記プロセス室側の面および／または前記イオン化器の外側面における前記絶縁層は、酸化アルミニウムを溶射することによって構成されている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項６】
前記隔壁および前記イオン化器の外枠がアルミニウムで構成されており、前記隔壁の前記プロセス室側の面および／または前記イオン化器の外側面における前記絶縁層は、前記隔壁および／または前記イオン化器の外壁を陽極酸化することによって構成されている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項７】
前記スキマーの前記プロセス室側の面における前記絶縁層は、アルミニウムをスパッタリングすることによって構成されている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項８】
前記隔壁は絶縁材料で構成されている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【請求項９】
前記絶縁材料は、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化アルミニウム、あるいは窒化珪素を含む、請求項８に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクラスターイオンを被加工物に照射して所望の加工を行うガスクラスターイオンビーム装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスクラスターイオンビーム装置は、気体分子が凝集して生じたクラスターをイオン化した後に加速して被加工物へ照射する装置である。図７に、従来の一般的なガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す。
【０００３】
クラスター生成室１０２内をクラスター生成室排気系１０３とプロセス室排気系１１３とを用いた差動排気によって減圧し、クラスター生成室１０２内に設置されたノズル１０１を通してクラスター生成室１０２内に気体を導入すると、その気体が断熱膨張による冷却によって凝集し、ビーム状のクラスターが形成される。クラスター生成室１０２とプロセス室１０９とを隔てる隔壁１０５には、このクラスタービームからクラスターを形成していない気体分子を衝撃波を起こすことなく分離し、さらにプロセス室１０９内の圧力を低くするために用いられるスキマー１０４が構成されている。ノズル１０１、クラスター生成室１０２、およびスキマー１０４は接地されており、それらの電位は０Ｖである。
【０００４】
スキマー１０４により分離されたクラスターはプロセス室１０９内に導入され、イオン化器１０６によってイオン化される。イオン化器１０６は、電子源１０７の熱フィラメントやプラズマから引き出した電子をクラスターに衝突させる。
【０００５】
電子との衝突によりイオン化されて正に帯電したクラスターは、イオン化器１０６とステージ１１１上の基板１１０との間に設置され、イオン化器１０６よりも低い電圧が印加された電極群１１２によって引き出される。換言すれば、クラスターイオンビームをイオン化器１０６から引き出して基板１１０へ輸送するためには、イオン化器１０６は電極群１１２よりも数十ｋＶ程度高い電位に保たれている必要があることを意味している。このようなイオン化器に印加する電圧に関して、例えば、非特許文献１においては２５ｋＶまで印加することが示されており、特許文献１においては３０ｋＶまで印加することが示されている。このとき、接地されているスキマー１０４とイオン化器１０６との間には、電極群１１２とイオン化器１０６との間の電位差よりもさらに大きな電位差が発生している。このようにしてイオン化器１０６から引き出されたクラスターは、後段の電極群１１２によって、加速、ビームの集束およびクラスターサイズの分離が行われた後、基板１１０へ照射される。
【０００６】
このようにイオン化されたクラスターを照射するプロセスでは、従来のイオンビーム技術にはないこのプロセス特有の特徴を生かした効果が得られる。例えば、少ない電流で大量の原子を照射するため大きな加工速度が得られること、平行なスパッタリングであるラテラルスパッタ効果により照射面に超平坦化面を形成できること、一原子あたりのエネルギーが小さいため被加工面への照射ダメージが少ないこと、等の効果を得ることができる。そのため、このプロセスは、エッチング、表面平坦化加工、クリーニング、表面改質、イオン注入、成膜など、多くの用途において応用が期待されている。
【非特許文献１】I. Yamada et al, Material Science and Engneering, R34（2001） P.231-295
【特許文献１】特表２００３−５０５８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術では、ビーム状の局所的に高濃度の気体がスキマーからプロセス室へ導入され、また、スキマーは接地されて０Ｖの電位である一方でイオン化器はイオンを加速するために数十ｋＶの電位に保たれており、さらに、スキマーやイオン化器が導体で作製されているためにスキマーとイオン化器との間では直流の電位差による異常放電が生じやすいという欠点があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を鑑み、ガス流量、圧力、イオン化器や電極群の電位などのプロセス条件や、スキマーとイオン化器との距離やそれらの形状などのチャンバー構造を大きく変更することなく異常放電を容易に防止することができるガスクラスターイオンビーム装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のガスクラスターイオンビーム装置は、ノズルからガスを導入させてガスクラスターを生成させるクラスター生成室と、隔壁によって前記クラスター生成室から分離され、前記ガスクラスターが前記隔壁に設けられたスキマーを通して供給されるプロセス室と、を有し、前記プロセス室には、前記プロセス室内に導入された前記ガスクラスターをイオン化するイオン化器と、該イオン化器でイオン化された前記ガスクラスターを加速させて被処理物に照射させる電極群と、が備えられているガスクラスターイオンビーム装置において、前記隔壁および前記スキマーの前記プロセス室側の面と前記イオン化器の外側面との少なくとも一方の、少なくとも表面上に絶縁層が構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明によれば、ガス流量、圧力、イオン化器や電極群の電位などのプロセス条件や、スキマーとイオン化器との距離やそれらの形状などのチャンバー構造を大きく変更することなく、スキマーとイオン化器との間に生じる異常放電を容易に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は本発明のガスクラスターイオンビーム装置の一実施形態を示す概略図であり、図２は図１における隔壁およびイオン化器を拡大して示す図である。
【００１３】
本実施形態のガスクラスターイオンビーム装置も、図７に示した従来の構成と同様に、隔壁５で隔てられたクラスター生成室２とプロセス室９とを有している。クラスター生成室２およびプロセス室９にはクラスター生成室排気系３とプロセス室排気系１３がそれぞれ設けられており、各々の内部を真空排気することができるようになっている。
【００１４】
クラスター生成室２内にはガスクラスター生成用の気体を導入するノズル１が配置されており、隔壁５には、ノズル１から導入された気体の流れ（ガスクラスターイオンビーム）の中心にあたる位置に小孔を有するスキマー４が設けられている。
【００１５】
プロセス室９内には、ガスクラスターイオンビームの進行経路に沿って順に、ガスクラスターに電子を衝突させてガスクラスターをイオン化するイオン化器６、その電子を発生させる電子源７、ガスクラスターイオンを輸送する電極群１２、被処理物である基板１０を保持するステージ１１が配置されている。電極群１２は、不図示の電源に接続されて所定のバイアス電圧を印加された複数の電極で構成され、それらによって発生させた電界によって、ガスクラスターイオンを基板１０側へと加速させて輸送する働きを有している。
【００１６】
本実施形態では、スキマー４および隔壁５のプロセス室９側の面上およびイオン化器６の外側面上に絶縁層８が形成されている。スキマー４、隔壁５、およびイオン化器６の外枠は導電性材料で構成されており、絶縁層８はプラズマＣＶＤ法によって二酸化珪素を１０μｍに成膜することで形成されている。
【００１７】
例えば、スキマー４および隔壁５の電位を０Ｖ、イオン化器６の電位は５０ｋＶとし、プロセス室９内の圧力を２．０×１０-2Ｐａとしてノズル１から０．５ＭＰａのプロセスガスを導入した場合、スキマー、隔壁、イオン化器に絶縁層が形成されていない従来技術の構成では、スキマーとイオン化器との距離が４５ｍｍよりも小さいと、これらの間に放電が生じて処理を行うことができない。これに対し、スキマー４および隔壁５とイオン化器６に絶縁層８が形成されている本実施形態の構成によれば、それらの間の絶縁耐圧が向上しており、放電が生じることを抑えることができるので、スキマーとイオン化器との距離を上記の距離よりも短くすることが可能である。
【００１８】
なお、上記では、スキマー４および隔壁５とイオン化器６との両方に絶縁層８を形成した例を示したが、絶縁層８は、必ずしもスキマー４および隔壁５とイオン化器６との両方に形成されていなくても、スキマー４および隔壁５に形成されているか、あるいはイオン化器６に形成されていれば、上記のような放電防止効果を得ることが可能である。
【実施例】
【００１９】
（第１実施例）
本実施例は、絶縁耐圧を向上させる絶縁層を基材上に直接形成した例を示すものである。本例では、プラズマＣＶＤ法で二酸化珪素を成膜して絶縁層を形成したものについて説明する。
【００２０】
図１及び図２を参照すると、クラスター生成室２とプロセス室９はステンレス鋼製の壁部材で囲まれて形成されており、クラスター生成室２とプロセス室９は排気系３，１３によってそれぞれ真空に保持されている。アルミニウムで作製されたノズル１から０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをプロセスガスとしてクラスター生成室２内に導入することで、ビーム状のクラスターが生成される。ニッケルで作製されたスキマー４によって分離されたクラスターは、ステンレス鋼製の隔壁５を挟んでクラスター生成室２に隣接したプロセス室９内に導入され、ステンレス鋼製の外枠を有するイオン化器６でイオン化される。このとき、クラスター生成室２内の圧力は１．５Ｐａであり、プロセス室９内の圧力は、２．０×１０-2Ｐａである。また、スキマー４と隔壁５の電位は０Ｖであり、イオン化器６の電位は５０ｋＶである。
【００２１】
なお、クラスター生成室２およびプロセス室９の壁部材、スキマー４、隔壁５、およびイオン化器６の外枠を構成するそれぞれの素材は、特に断りが無い限り、後述する各実施例においても同じである。
【００２２】
図２を参照すると、スキマー４および隔壁５のプロセス室９側の面上およびイオン化器６の外側面上に絶縁層８が形成されている。絶縁層８は、プラズマＣＶＤ法によって二酸化珪素を１０μｍの厚みに成膜することで形成した。より具体的には、二酸化珪素の成膜には平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、１０００Ｗの高周波電力（ＲＦ）を印加したシャワープレートから原料のＴＥＯＳ、酸素、ヘリウムをそれぞれ１８５、３５００、１００［ｍｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）］の流量で導入し、基板温度を３００℃、圧力を１００Ｐａとし、処理時間を３０分とした。
【００２３】
表１に、各実施例および従来例における、スキマー、隔壁、イオン化器に形成した絶縁層の種類および厚さと、スキマーとイオン化器との間に放電が生じた距離との関係を示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１に示すように、スキマー、隔壁、イオン化器のいずれにも絶縁層が形成されていない従来例では、スキマーとイオン化器との距離を４５ｍｍよりも近づけると、それらの間で放電が起きてプロセスを行うことができない。これに対し、本実施例の構成では、それらの距離が４５ｍｍ以下であっても、絶縁層によって絶縁耐圧が向上しているために放電が起こらず、プロセスを安定して行うことができる。スキマーとイオン化器との距離を３０ｍｍまで近づけても放電は起こらず、プロセスを行うことが可能であった。このときのスキマー・イオン化器間距離とビーム電流値との関係を図３に示す。図３から、スキマー・イオン化器間距離を短くするとビーム電流が増加することがわかる。そのため、上記のようにスキマー・イオン化器間距離を短くすることが可能な本発明の構成によれば、ビーム電流を増加させて処理速度の向上を図ることができる。
【００２６】
本実施例では二酸化珪素で絶縁層８を形成した例を説明したが、絶縁層８の材料として二酸化珪素の代わりに酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、あるいは窒化珪素を用いても、上記と同じ効果を得ることができる。
【００２７】
（第２実施例）
本実施例は、絶縁耐圧を向上させる絶縁層を、酸化アルミニウムをプラズマ溶射して基材上に形成した例を示すものである。
【００２８】
図２を参照すると、隔壁５のプロセス室９側の面上およびイオン化器６の外側面上には、大気プラズマ溶射により酸化アルミニウムを１００μｍの厚みに成膜することで、絶縁層８が形成されている。より具体的には、この成膜は、溶射電流８００Ａ、電圧４０Ｖ、溶射距離１００ｍｍで平均粒径５μｍの酸化アルミニウム粒子を上記面上に溶射することで行った。なお、スキマー４のプロセス室９側の面上への絶縁層８の形成は、その加工精度と強度を得るため、第１実施例と同様にプラズマＣＶＤにより１０μｍの二酸化珪素を成膜して行った。
【００２９】
本実施例でも第１実施例と同様に、０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをプロセスガスとしてノズル１からクラスター生成室２内に導入した。さらに第１実施例と同様に、このときのクラスター生成室２内の圧力は１．５Ｐａであり、プロセス室９内の圧力は、２．０×１０-2Ｐａである。また、スキマー４と隔壁５の電位は０Ｖであり、イオン化器６の電位は５０ｋＶである。
【００３０】
溶射された酸化アルミニウムの電気抵抗は、１×１０12Ω・ｃｍと高く導通を殆ど示さないため、スキマー４とイオン化器６との間の距離を表１のように近づけても放電は起こらず、プロセスを行うことが可能であった。
【００３１】
（第３実施例）
図４は本発明の第３実施例の構成を示す図である。本実施例は、隔壁の絶縁耐圧を向上させるために、隔壁１４を純度９９．９９％のバルク状の酸化アルミニウムで作製した例を示すものである。
【００３２】
この隔壁１４は、プロセス室９を形成するステンレス鋼製の壁１５に固定した。イオン化器６は、クラスターイオンを加速するために内部の電位を保つことが必要であるため、酸化アルミニウムではなくステンレス鋼等の導電性材料で作製し、その外側面上に第１実施例と同様にプラズマＣＶＤで二酸化珪素を１０μｍの厚さに成膜して絶縁層８を形成した。また、スキマー４もバルク状の酸化アルミニウムで作製し、そのプロセス室９側の面上に第１実施例と同条件でプラズマＣＶＤにより１０μｍの二酸化珪素を成膜して絶縁層８を形成した。これは、スキマー４上の絶縁層８の加工精度と強度を得るためである。
【００３３】
本実施例でも第１実施例と同様に、０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをプロセスガスとしてノズル１からクラスター生成室２内に導入した。さらに第１実施例と同様に、このときのクラスター生成室２内の圧力は１．５Ｐａであり、プロセス室９内の圧力は、２．０×１０-2Ｐａである。また、スキマー４と隔壁５の電位は０Ｖであり、イオン化器６の電位は５０ｋＶである。
【００３４】
スキマー５と隔壁１４を構成するバルク状の酸化アルミニウムの電気抵抗は、１×１０15Ω・ｃｍと高く導通を殆ど示さないため、スキマー４とイオン化器６との間の距離を表１のように近づけても放電は起こらず、プロセスを行うことが可能であった。
【００３５】
本実施例では酸化アルミニウムで隔壁１４を形成した例を説明したが、隔壁１４の材料として酸化アルミニウムの代わりに酸化珪素、窒化アルミニウム、あるいは窒化珪素を用いても、上記と同じ効果を得ることができる。
【００３６】
（第４実施例）
図５は本発明の第４実施例の構成を示す図である。本実施例は、絶縁耐圧を向上させる絶縁層を陽極酸化処理によって形成した例を示すものである。
【００３７】
本実施例では、アルミニウムからなる隔壁５のプロセス室９側の面と、アルミニウムからなるイオン化器６の外枠の外側面とを陽極酸化処理して、絶縁層１６を形成した。この陽極酸化処理には２５ｗｔ％硫酸電解液を用い、温度１５℃、電流密度１．５Ａ／ｄｍ2、２時間の処理時間で、５０μｍの厚さの絶縁層１６を形成した。一方、スキマー４のプロセス室９側の面上には、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて窒化アルミニウムを１０μｍの厚さに成膜して絶縁層８を形成した。具体的には、ターゲット材料である純度９９．９９％のアルミニウムに出力１００Ｗの高周波電力を印加し、Ａｒ、Ｎ2をそれぞれ５、１０［ｍｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）］の流量で導入し、基板温度２００℃、圧力０．７Ｐａで、５時間の処理時間で、窒化アルミニウムからなる絶縁層８を形成した。
【００３８】
本実施例でも第１実施例と同様に、０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをプロセスガスとしてノズル１からクラスター生成室２内に導入した。さらに第１実施例と同様に、このときのクラスター生成室２内の圧力は１．５Ｐａであり、プロセス室９内の圧力は、２．０×１０-2Ｐａである。また、スキマー４と隔壁５の電位は０Ｖであり、イオン化器６の電位は５０ｋＶである。
【００３９】
本実施例においても、陽極酸化によって形成された絶縁層１６により隔壁５の絶縁耐圧が向上し、表１のようにスキマー４とイオン化器６との間の距離を近づけても放電は起こらず、プロセスを行うことが可能であった。
【００４０】
（第５実施例）
図６は本発明の第５実施例の構成を示す図である。本実施例は、絶縁耐圧を向上させる被接合絶縁膜を隔壁とイオン化器に接合した例を示すものである。
【００４１】
本実施例では、ステンレス鋼製の隔壁５のプロセス室９側の面と、イオン化器６の外側面の上に、厚さ２ｍｍの酸化アルミニウムを被接合絶縁膜１７として接合した。その接合は、銀と銅の合金の活性金属ろう材を用いて、真空雰囲気炉中で真空度３．０×１０-3Ｐａ以下で８５０℃の状態を１５分間保持することで行った。一方、スキマー４の上に薄膜の被接合絶縁膜を接合することは困難であるため、第４実施例と同様のスパッタリングによって、スキマー４のプロセス室９側の面上に窒化アルミニウムを１０μｍの厚さに成膜して絶縁層８を形成した。
【００４２】
本実施例でも第１実施例と同様に、０．５ＭＰａの圧力に保たれたＡｒをプロセスガスとしてノズル１からクラスター生成室２内に導入した。さらに第１実施例と同様に、このときのクラスター生成室２内の圧力は１．５Ｐａであり、プロセス室９内の圧力は、２．０×１０-2Ｐａである。また、スキマー４と隔壁５の電位は０Ｖであり、イオン化器６の電位は５０ｋＶである。
【００４３】
本実施例においても、接合された被接合絶縁膜１７により隔壁５の絶縁耐圧が向上し、表１のようにスキマー４とイオン化器６との間の距離を近づけても放電は起こらず、プロセスを行うことが可能であった。
【００４４】
本実施例において、被接合絶縁膜１７を酸化アルミニウムの代わりに酸化珪素、窒化アルミ、あるいは窒化珪素を用いて構成しても同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のガスクラスターイオンビーム装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】図１における隔壁およびイオン化器を拡大して示す図である。
【図３】スキマー・イオン化器間距離とビーム電流値との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第３実施例の構成を示す図である。
【図５】本発明の第４実施例の構成を示す図である。
【図６】本発明の第５実施例の構成を示す図である。
【図７】従来の一般的なガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
２    クラスター生成室
５，１４    隔壁
６    イオン化器
８    絶縁層
９    プロセス室
１２  電極群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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